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アミド結合を用いた弱酸性陽イオン交換樹脂へのヌクレオシドの固定化とホウ酸吸着剤としての機能評価－22－

アミド結合を用いた弱酸性陽イオン交換樹脂へのヌクレオシドの固定化とホウ酸吸着剤としての機能評価
藤森崇夫1・高木一志1・平川大祐1・中村華奈1・吉村和久2

Preparation and Evaluation of Novel type Borate Adsorbent Consisting of Weak Acidic
Cation-Exchange Resins and Nucleosides Linking by Amide Bond

Takao FUJIMORI1, Kazushi TAKAGI1, Daisuke HIRAKAWA1, Kana NAKAMURA1 andKazuhisa YOSHIMURA2(Accepted October 2, 2017)

Abstract The novel type borate adsorbents, which consist of weak cation-exchange resins and nucleosides (adenosine or cytidine) linked to each other by the amide bond, were prepared and their borate adsorability was evaluated. Two different types of resins, one porous and the other highly porous,
were examined to take into account the effect of physical structure differences on nucleoside linking.
Regardless of the resin structure, about 30% carboxy groups of each resin were bonding with cytidine
at the optimum conditions, however, the high porous type adsorbent had 10 times higher distribution
ratio of borate than porous type one. This result indicated that the borate diffusion in the resin phase
was influenced by the physical structure of resins because of the electrostatic interaction between carboxy groups and borate.
Keywords
Keywords [Borate adsorbent, Nucleoside, Amide bond, Chemical adsorption, Electrostatic interaction]

１ 序論
世界的な人口増加や産業の発展等により水の需要が増加している。国連の報告によると世界人口65億人のうち飲料水など生活用水が得られない人口は11億人となっている1)。このような背景から近年では生活用水の確保のために海水淡水化に注目が集まっている。海水淡水化には様々な方式があるが、その中でもエネルギーコストが小さく安価でありイオン類の除去が99%可能な逆浸透膜法が主流となっている。しかし、現在の逆浸透膜法では海水中のホウ素を十分に除去することができない2)。選択的ホウ酸吸着剤としてN-メチル
グルカミン樹脂が実用化されており、そのホウ酸吸着能は非常に高いことが知られている3)。しかし、吸着速度が遅いこと、また、強くホウ素と結合するため再利用が困難なことが問題となっている4)。そのため、従来型とは異なる取り扱いが容易な高ホウ酸選択的吸着剤開発が必要とされている。
ホウ素は地球上で水圏や岩石圏に広く分布している。自然界においてホウ素は常に酸素や他の元素と結1 都城工業高等専門学校物質工学科 Department of Chemical Science and Engineering, National Institute of Technology, Miyakonojo
College
2 九州大学大学院理学研究院化学部門 Department of Chemistry, Faculty of Sciences, Kyushu University

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藤森崇夫・高木一志・平川大祐・中村華奈・吉村和久

合しており、様々な形で複雑な化合物として存在している。海水中のホウ素濃度は4.5 mg kg-1、地下水には0.3－100 mg kg-1 存在している5)。このホウ素は植物の必須微量元素であるが過剰摂取は有毒となり生育可能濃度範囲も非常に限られているため、灌漑用水または土壌中から過剰なホウ素を取り除くことが重要になっている。また、動物においても細胞壁の形成や骨の新陳代謝に必須であるが、ホウ素の量が必要量よりわずかにでも過剰になると有毒となることが知られている。動物体内に摂取されると特に生殖阻害毒性を示す
ことが動物実験で実証されている 6)。そこで、WHO
では飲料水中のホウ素濃度を2.4 ppm以下にするガイ
ドラインを設定している7)。日本では、上水におけるホウ素の水質基準を1.0 ppm以下と規定している8)。
ホウ素は天然水中では、ほとんどがホウ酸として存在している。ホウ酸は水と反応してホウ酸陰イオンとなる。また、ホウ酸の解離反応は(1)式のようになる。
(p = 9.05) (1)
B(OH) + H O ⇌ B(OH) + H
ここでB(OH) は中性のポリオールと反応し、錯体を形成することが知られている。特に、リボースのような隣接する水酸基が互いに cis位をとる糖鎖化合物はB(OH) と安定な五員環錯体を形成する 9,10) 。B(OH)はポリオールと反応して錯体を形成する際、化学種間で脱水縮合が起こり1:1錯体を形成する。さらに、1:1錯体にポリオールが反応して1:2錯体が形成される（Fig. 1）。この際に、水酸基の配向が揃っていればB(OH) と速やかに錯形成を行えると考えられるため、リボース環を有する化合物はこの点でもホウ酸吸着に有利になると予想される。しかし、(1)式からわかるようにホウ酸と中性ポリオール間で錯体を形成するにはpHを高くする必要がある。
HOHO
HO

HO

HOO

HOO+B
O

O

NH2N

N

NHO

HO

NO

NOOH OH

OH OH

AdCyO

Fig. 2 Chemical structures of adenosine (left) andcytidine (right).
AdとCyは弱酸性陽イオン交換樹脂と直接反応しないため、アミド結合形成試薬として知られている
EDC（1-ジメチルアミノプロピル-エチルカルボジイミド塩酸塩）とNHS（ N-ヒドロキシコハク酸）を用いた。実験方法はMengらの方法を参照した 11) 。まず、EDCとNHSを用いてカルボキシ基を活性化させ、続いてヌクレオシドを反応させて樹脂中にアミド結合を形成させることを試みた （Fig. 3）。
OHORCOOH

R: resin matrix

2+

R1 N C N

R2NO+

EDC
R1: CH2CH3
R2: (CH2)N+H(CH3)2

NHSR

COONHOB

HONH2N+ 2H OBOH

た。どちらも互いに cis 位に配置する隣接した水酸基を有している（Fig. 2）。これらのヌクレオシドとカルボキシ基をもった弱酸性陽イオン交換樹脂間にアミド結合を形成させ固定化することで新規材料とし、ホウ素吸着剤としての可能性を検討した。また、ホウ素
吸着剤開発にあたりヌクレオシドを用いたのは、ヌクレオシド中の窒素による緩衝作用にも期待したためである。樹脂相中でヌクレオシドの窒素が周囲のH+を受け取ると、樹脂相のpHがバルク溶液より上昇し、その結果、樹脂相でB(OH) の分率が増加しより錯体を形成しやすくなると考えた。

OHO+BHOHOOH

都城工業高等専門学校研究報告-O+2H2OO

RActivation

N+ Cy

CO O NO

HOFixation

ONO

Fig. 1 Formation reactions of (a) 1:1 and (b) 1:2
complexes of borate with ethane-1,2-diol.

Fig. 3 Scheme of Cy fixation using EDC and NHS.

現在の逆浸透膜法では海水中のホウ素を十分に除去することができず、WHOが設定した飲料水中のホウ素濃度に対するガイドラインを満たすことが困難である。そこで、本研究では高ホウ素選択的吸着剤の開発を目的とし、ホウ酸と安定な五員環錯体を形成可能な水酸基を有する水溶性ヌクレオシドであるAd（アデノシン）とCy（シチジン）を利用することを試み

弱酸性陽イオン交換樹脂として樹脂内のマクロポアの量が異なるポーラス型とハイポーラス型の樹脂を検討した。イオン交換樹脂は物理的構造から大きく３種類に分類され、単純にモノマーを重合させたミクロポアしかもたない透明なゲル型、ゲル型に物理的に孔（マクロポア）を持たせた多孔性のポーラス型、さらに、ポーラス型より小さな孔をより多く持たせた高多OH OH

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孔性のハイポーラス型が存在する。本研究では、ポーラス型のMAC-3、ハイポーラス型のWK100を担体として検討し、物理的構造の違いによる化学種の拡散の違いについても検討を行った。
２ 実験操作
２.１ 試薬H+型のアクリル系弱酸性陽イオン交換樹脂MAC-3（室町ケミカル）とメタクリル系弱酸性陽イオン交換樹脂WK100（三菱化学）をそれぞれ20 cm3のカラムに詰め、蒸留水で洗浄し、pH 2の塩酸200 cm3を流速2 cm3 min-1で通液した。その後、蒸留水で洗浄し、湿潤状態のものを実験に使用した。試薬は試薬特級を使用し、EDC（1-ジメチルアミノプロピル-エチルカ
ルボジイミド塩酸塩）とNHS（ N-ヒドロキシコハク酸）は和光純薬より、CyとAdについては東京化成より購入した。ホウ素標準溶液はメルク製のものを使用した。その他の試薬については和光純薬より購入した。
２．２ ヌクレオシド固定化
実験方法はMengらの方法を参照した11)。Cyについては二種類の陽イオン交換樹脂0.1 gにそれぞれpH 5に調整したEDC 溶液（0.5 mol dm-3 ） 10 cm3 、NHS 溶液（0.25 mol dm-3） 10 cm3を加え、4~6℃で活性化反応を行った。その際に試薬を加えてからの時間を15、30、60、90、120分とし活性化時間を検討した。次にCy 溶液（0.20 mol dm-3） 25 cm3を加え2日間反応させた（pH 5、7、9）。pH 12のNaOH水溶液を加えて固定化反応を終了させ、樹脂をろ取し蒸留水と0.1 mol dm-3の塩酸で洗浄し、ろ液と洗液を全て回収し樹脂に固定化されたCyの量を吸光光度法により見積もった。
Adの場合は56 mmol dm-3の溶液90 cm3を用い、Adの物質量がCyの場合と等しくなるようにした。イオン交換樹脂はハイポーラス型のWK100を用い、その他の活性化・固定化条件についてはCyと同様に実験を行った。
２.３ ヌクレオシド固定化量の測定
ヌクレオシド固定化後の回収した溶液を150倍に希釈してpH 2の試料溶液を調製した。検量線用試料として Cyでは 40－ 133 µmol dm-3 、 Adでは 20－ 100µmol dm-3の濃度範囲の溶液を調製した（pH 2）。その後、吸光光度計 V-630 （日本分光） により各試料溶液および検量線用試料溶液の吸光度を測定した（Cy: 279.5 nm、Ad: 257.5 nm）。測定した吸光度－24－からイオン交換樹脂1 g 中に固定化されたヌクレオシドの量を見積もった。
２.４ ホウ酸吸着実験
それぞれの反応時間、pH条件下でCy固定化行った
樹脂0.1 gにホウ素濃度10 ppm、全量100 cm3となるように溶液を加え、１日間室温で吸着実験を行った（ pH 5 、 7 、 9 ） 。 緩 衝 剤 と し て そ れ ぞ れ
CH3COONa、NaH2PO4 、NH4Clを加えpHを調整した。吸着実験後、溶液だけを回収しホウ酸濃度をアゾ
メチンH法 12) により求め、ホウ酸吸着量を見積もった。その際に、以下の式で示される分配比Dを算出した。
( − [B] )
(2)
=[B] ここで、 はホウ酸の初濃度（mol dm-3）、[B] は吸着後のホウ酸の濃度（mol dm-3 ）、 V は溶液の体積（cm3）、は樹脂の質量（g）である。
２.５ 陽イオン交換樹脂の交換容量の算出
湿潤状態の弱酸性陽イオン交換樹脂 1 g あたりの交換容量を中和滴定法により算出した。樹脂 0.1 gをビーカーに量り取り、正確に濃度を決定した0.1 moldm-3のNaOH 溶液10 cm3 を加えた。30 分間撹拌し樹脂中のH+を中和させた後、樹脂を含んだ溶液に対してフェノールフタレインを指示薬として0.05 moldm-3 の硫酸標準溶液で滴定した。NaOH溶液の濃度変化から樹脂 1 g あたりのカルボキシ基量 (交換容量) を見積もった。その結果、MAC-3で交換容量5.6mmol g-1、WK100で4.4 mmol g-1という結果が得られた。
３ 結果および考察
３.１ ヌクレオシドの固定化
イオン交換樹脂へのCyの固定化について検討した。各活性化時間に対してCyの固定化率をTable 1に示す。固定化率についてはCyの固定化量を各イオン交換樹脂の交換容量に対する割合として求めた。
MAC-3の場合、pHによる固定化の様子に大きな違いは見られなかったが、pH 5の90分の場合において固定化率がわずかではあるが最も高かった。この結果は参照したMengらの結果と一致しており11)、MAC-3については活性化時間90分、pH 5を最適条件として決定した。
WK100においてはpH 7の30分やpH 9の90分において高い固定化率を示した。しかし、どちらのpHにおいても、一度固定化率が減少した後、上昇しており、

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藤森崇夫・高木一志・平川大祐・中村華奈・吉村和久

また、pH 7の90分以降では固定化率が100%を超える異常値を示した。そのため、活性化時間を長くするとEDCやNHSが変性し、それらがCyを分解するのではないかと考えた。そこで、固定化率が高い値を示した
ものについてホウ酸吸着実験を行い、固定化がなされているかどうか確認を行った。その結果をTable 2に示す。この結果から、pH 7の90分では明らかにホウ酸吸着能は減少しており、Cyが分解したために見かけ上、高い固定化率を示したことがわかった。この結果から、WK100についてはpH 9の30分を最適条件として決定した。
Table 1 Relationship between activation time(AT) and fixed Cy ratio for MAC-3 and WK100 resins
AT/ min

Fixed Cy ratio (%)
MAC-3 (porous)

WK100 (highly porous)

pH 5pH 7

pH 9pH 5pH 7

pH 930223632

1.164326030-365.2366.89038283434277751203422334.313419Adを用いた固定化実験の場合、固定化率はどの条件でも数%であり固定化はほぼ起きなかった。ヌクレオシドの分子サイズと樹脂のマクロポアの孔径について詳細を確認することは出来なかったが、Adはリボース環にアデニン環という嵩高い側鎖を持っておりCyよりも分子サイズが大きいため（Fig. 2）、分子サイズの違いにより樹脂内への拡散が抑制されたのではないかと考えた。
Table 2 Borate distribution ratio of WK100 resins
prepared by different pH and activation time (AT)pHAT / min

Fixed Cyratio (%)

730906427744150930903275457419

D / cm3 g-1

３．２ ホウ酸吸着実験
Cy固定化の最適条件で調製した吸着剤についてpHを変化させてホウ酸吸着挙動を確かめた。その結果をTable 3に示す。どちらの樹脂でもpHの上昇に伴い分配比Dは増加しており、ホウ酸を吸着できることが示された。これにより樹脂内にCyが固定化されている

都城工業高等専門学校研究報告

ことが確認できた。樹脂の物理構造の違いについて
は、ハイポーラス型のWK100ではポーラス型に比べて10倍ほど分配比が大きくなっていることが示された。調製した条件では、樹脂構造に関係なくCyは樹脂内のカルボキシ基の約30%に固定化されているため、吸着能の違いは樹脂相へのホウ酸化学種の拡散のしやすさが異なることが考えられる。今回の条件では樹脂中のカルボキシ基の70%は未反応で残っており、それらはpHの上昇と共に酸解離していく。樹脂内にB(OH) が拡散する場合、B(OH) は解離型のカルボキシ基（-COO-）と負電荷同士で静電的な反発を起こすことが予想される。そのため、ミクロポアが多いポーラス型では樹脂内のカルボキシ基とB(OH) の距離が近くなるために反発が大きくなるのに対して、マクロポアが多いハイポーラス型樹脂ではマクロポアの部分でのカルボキシ基とB(OH) の距離はポーラス型と比べて離れることになり樹脂内のB(OH) と解離固定基との静電的な反発は小さくなりB(OH) の拡散が起こりやすくなったのではないかと考えられる。
ハイポーラス型樹脂の分配比のpH依存性を見ると、pH 5においてもpH 7と同程度の吸着を示していることから、Cyによる固相内緩衝作用が起こり樹脂相のpHがバルク溶液とは異なることが示唆された。
Table 3 pH dependence of distribution ratio of different type resins prepared by optimum condition
WK100

MAC-3
pH

D / cm3 g-1

pH

D / cm3 g-1

4.7
7.2
9.1

5.8
2157

5.0
7.2
9.1

485
438525４ 結論
新規ホウ素選択的吸着剤の開発を目的として研究を行った。物理構造の異なる弱酸性陽イオン交換樹脂とアミノ基を持つヌクレオシドを使用することでCyを樹脂内に固定することができた。一方、Adでは固定化はほぼ起きなかった。これはヌクレオシドの分子サイズの違いに起因しており、分子サイズの大きなAdは樹脂相に拡散しにくいことが示唆された。
Cyを用いた場合の樹脂相カルボキシ基に対する固定化率は樹脂構造に依存せずそれぞれ30%程度であった。一方、ホウ酸吸着実験においてはポーラス型よりもハイポーラス型構造の場合の方が分配比は10倍程度大きくなり、B(OH) の拡散のしやすさが吸着能の違いに繋がったと考えられた。また、ハイポーラス型樹脂を使用した場合には酸性側でも吸着が起こったた

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アミド結合を用いた弱酸性陽イオン交換樹脂へのヌクレオシドの固定化とホウ酸吸着剤としての機能評価め、樹脂相のCyによる固相内緩衝作用が起こることが示唆された。
官能基を固定化する樹脂相の物理構造を検討することでより吸着剤としての性能を上げられることが示唆される結果となった。
参考文献
向井久和, “グローバルな水問題解決に活躍するナノ 構 造 水 処理 用 分離 膜 技術 ”, NanotechJapan
Bulletin, 2, pp.1-8, 20092) N. Hilal, G.J. Kim, C. Somerfield, “Boron removal from saline water: A comprehensive review”, Desalination, 273, pp.23-35, 20113) K. Yoshimura, Y. Miyazaki, F. Ota, S. Matsuoka, H. Sakashita, “Complexation of boric acid with the N-methyl-D-glucamine group in solution and in crosslinked polymer”, J. Chem.
Soc., Faraday Trans., 94, pp.683-689, 1998
4) M. Badruk, N. Kabay, M. Demircioglu, H.
Mordogan, U. Ipekoglu, “Removal of Boronfrom Wastewater of Geothermal Power Plantby Selective Ion-Exchange Resins. II. ColumnSorption–Elution Studies”, Sep. Sci. Technol.,34, pp.2981–2995, 1999
5) P. Argust, “Distribution of boron in the environment”, Biol. Trace Elem. Res., 66, pp.131148, 1998
6) F. Xu, H. E. Goldbach, P. H. Brown, R. W. Bell,T. Fujiwara, C. D. Hunt, S. Goldberg, L. Shi,
“Boron Functions in Plants and Animals: Recent Advances in Boron Research and OpenQuestions”, Advances in Plant and Animal Boron Nutrition, pp.3-25, 2007
7) Guidelines for Drinking-water Quality, 4th ed.,WHO, 20118) 厚生労働省, 水質基準項目と基準値, 20159) S. Chapelle and J.F. Verchere, “A 11b and 13c
nmr determination of the structures of borate
complexes of pentoses and related sugars”, Tetrahedoron, 44, pp.4469-4482, 1988
10) T. Fujimori, “Fundamental study on functional
materials for water treatments by kinetics/thermodynamics and molecular orbital calculations”, Kyushu University, Ph. D. thesis,
201011) F. Meng, G. H. M. Engbers, J. Feijen, “Polyethylene glycol–grafted polystyrene particles”, J.
1)

－26－

Biomed. Mater. Res. A, 70(1), pp.49-58, 2004
12) JIS, K0102, 工場排水試験方法, 2013